FI122536B - Laitteisto energian tuottamiseksi sellutehtaalla - Google Patents

Description

LAITTEISTO ENERGIAN TUOTTAMISEKSI SELLUTEHTAALLA

Kemiallista massaa valmistavilla tehtailla massankeittoprosessin keittokemikaalit talteenotetaan mustalipeästä polttamalla mustalipeä talteenottokattilassa joko yksinään 5 tai muiden “jätevirtausten” kanssa. Polttoprosessi on eksoterminen ja vapautunut energia talteenotetaan tulistettuna ja paineistettuna höyrynä. Höyryn energia talteenotetaan höyryturbiinissa sähkövoimana ja matalapainehöyrynä prosessikäyttöön.

Perinteisesti sellutehtaalla tuotetaan energiaa polttamalla mustalipeää 10 talteenottokattilassa ja jätepuuta ja kuorta apukattilassa. Puuraaka-aineen kuori ja muodostuneen mustalipeän orgaaninen aines yhdessä yleensä tyydyttävät sellutehtaan kokonaisenergiatarpeen. Jos tehtaan energiantarve lisääntyy, voidaan lisäpolttoainetta ostaa. Tämä lisäpolttoaine poltetaan puukuoren kanssa apukattilassa. Perinteisesti energiantuotanto sellutehtaalla tapahtuu siten, että talteenottokattila ja apukattila, jossa 15 poltetaan tehtaan jätepuun kuorta, tuottavat tulistettua korkeapainehöyryä. Näin kehitetty höyry pakotetaan vastapainehöyryturbiinin/turbiinien läpi ja vapautuva höyry käytetään tehtaan lämmöntuottoon. Turbiini ja siihen liitetty generaattori tuottavat tehtaalla tarvittavaa sähköä.

20 Puu sisältää pieniä määriä kaliumia (K) ja klooria (Cl), jotka säilyvät mustalipeässä keiton aikana. Talteenottokattilassa ne rikastuvat lentotuhkaan ja lisäävät sen korrodoivia ominaisuuksia varsinkin tulistimen alueella. Kloorin ja kaliumin korrodoivuus lisääntyvät lämpötilan nousun myötä. Kloorin ja kaliumin korrodoivuus määräävät ylärajan talteenottokattilassa tuotettavan höyryn lämpötilalle. Tämä rajoittaa tulistetun 25 höyryn lämpötilan tyypillisesti välille 400 - 490 °C kloori- ja kaliumpitoisuuksien mukaan. Erikoismateriaalien ja hyvin vähän klooria ja kaliumia sisältävien lipeiden yhteydessä on käytetty jopa 520°C:n lämpötiloja. Koska kloorin ja kaliumin korrodoivuus yleensä vaativat, että tulistetun höyryn lämpötila pidetään suhteellisen alhaisena, on höyryn painekin alhainen. Näiden lämpötilarajoitteiden vuoksi talteenottokattilassa tuotetun 30 lämmön energiasaanto on alhainen verrattuna normaaleihin hiiltä, luonnonkaasua tai öljyä polttaviin voimakattiloihin.

Nämä rajoitteet eivät koske yhtä tiukasti tukkipuusta peräisin olevaa kuoriainesta, mutta kuorta kuorikattilassa poltettaessa syntyvä lentotuhka voi myös sisältää klooria ja kaliumia. Koska kuoren rikkipitoisuus on hyvin alhainen, kalium reagoi kuorikattilassa 2 kloorin kanssa ja muodostaa kaliumkloridia, mikä puolestaan voi aiheuttaa korroosiota tulistimessa. Kuoren kalorimetrivirtaus on myös paljon pienempi kuin mustalipeävirtauksen ("jätelipeävirtauksen”), johtuen huomattavasti pienemmästä massavirtauksesta.

5

Uusia, perinteisen talteenottokattila - höyryturbiini -kierron korvaavia energiantuotantokiertoja on tutkittu, ja "jätelipeän” ja kuoren paineistettu kaasutus vaikuttaa lupaavalta. Näyttää kuitenkin siltä, että tarvitaan vielä paljon kehittelytyötä, ennen kuin nämä teknologiat ovat riittävän luotettavia ja suorituskykyisiä, to

Toistaiseksi ei tietääksemme kuitenkaan ole kehitetty tehokasta menetelmää sellutehtaan talteenottokattilassa tuotettavan tulistetun höyryn lämpötilan ja paineen nostamiseksi sillä tavoin, että korroosiolta vältyttäisiin tai että korroosionopeus jäisi hyväksyttävälle tasolle. Esillä oleva keksintö tarjoaa menetelmän sellutehtaan is energiatuotannon antotehon kasvattamiseksi sillä tavoin, että korroosio-ongelmat jäävät mahdollisimman vähäisiksi. Eräs toinen keksinnön tavoite on aikaansaada kompakti järjestelmä, jossa lämpö talteenotetaan tehokkaasti korkealämpötilaista ja korkeapaineista höyryä tuotettaessa.

20 Yllä mainittujen tavoitteiden saavuttamiseksi esillä oleva keksintö, joka koskee jätelipeän talteenottokattilalaitteistoa, käsittää talteenottokattilan, jolla on vesi/höyrykierto tulistimineen sekä tulipesä energian ja kemikaalien talteenottamiseksi siinä poltettavista jätelipeistä, jonka mainitun talteenottokattilan seinät on muodostettu useista vesijäähdytteisistä putkista, jotka on liitetty vesi/höyrykiertojärjestelmään. Esillä 25 olevan keksinnön eräs tunnusomainen piirre on, että laitteistoon kuuluu ainakin yksi ontelo, jonka seinät on muodostettu talteenottokattilan vesi/höyrykiertoon liitetyistä vesijäähdytteisistä putkista, välineet polttoaineen polttamiseksi ja ainakin yksi poistoaukko polttokaasujen poistamiseksi talteenottokattilaan, ja jonka ainakin yhden ontelon sisätilassa on lämmönsiirtimet talteenottokattilassa tuotetun höyryn lopulliseksi 30 tulistamiseksi, jotka lämmönsiirtimet on liitetty kattilan tulistimiin.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti talteenottokattilan yhteyteen on järjestetty ainakin yksi poltto-ontelo talteenottokattilan tulistinosassa tuotetun höyryn lopulliseksi tulistamiseksi. Keksinnön mukainen laitteisto sallii höyryn kuumennuksen perinteisissä 35 lämmönsiirtovyöhykkeissä (eli ekonomaisereissa, keittopinnalla ja tulistimissa) siihen 3 pisteeseen, että olennaista korkean lämpötilan korroosiota ei tapahdu, eli alle 520°C, optimaalisesti 480-500 °C, minkä jälkeen höyry lopullisesti tulistetaan lämpötilaan 500-600 °C, optimaalisesti 520-560 °C, poltto-ontelossa, joka toimii varsinaisena tulistimena. Talteenottokattilalaitteistossa voi olla yksi tai useampia tulistimia (ontelolta). 3 Lopullisessa tulistimessa tai lopullisissa tulistimissa poltettava polttoaine on sellaista, että se ei aiheuta korkean lämpötilan korroosiota.

Tulistinontelon seinät on suunniteltu vesijäähdytteisiksi lämmönsiirtopinnoiksi, jotka on liitetty talteenottokattilan varsinaiseen vesi/höyrykiertoon sisääntulevan to vesi/höyryseoksen ja poistuvan vesi/höyry-vesiseoksen yhdysputkilla. Lämmönsiirtopinnat muodostavat siis osan talteenottokattilan päävesijärjestelmää. Päävesijärjestelmä ja siten myös tulistinontelon vesijärjestelmä voivat perustua luonnolliseen kiertoon tai pakotettuun kiertoon tai niinsanottuun läpivirtaukseen, joka on tyypillinen korkeimmilla höyry/vesipaineilla. Luonnollisen kierron kattiloissa 15 jäähdytysvesi syötetään rummusta laskuputkien kautta ontelon tai onteloiden seinämiä syöttäville jakotukeille, ja näistä seinistä tuleva vesi-höyryseos kootaan ja syötetään rumpuun. Ontelolla voi olla omat erilliset seinänsä, mutta osa ontelon tai onteloiden seinistä voi olla yhteisiä kattilan “perinteisen” osan kanssa.

20 Ontelon sisätilaan on järjestetty lämmönsiirtimet ontelossa tuotetun polttokaasun lämmön siirtämiseksi lämmönsiirtimissä virtaavaan höyryyn. Lämmönsiirtimet toimivat talteenottokattilan tulistinosasta tulevan höyryn lopullisena tulistimena.

Ontelon optimaalinen sijaintipaikka on etuseinä, joka on tulipesän “nokkaseinää" 25 vastapäätä, mutta ontelo voidaan rakentaa sivuseinillekin, joko yhtenä ontelona tai useina onteloina. Ontelo tai ontelot voivat sijaita pystysuunnassa missä tahansa, suhteessa kattilan perinteiseen osaan, rajoituksena on vain jäähdytysvesikierto.

Talteenottokattilan höyryn lopullisesti tulistava tulistinontelo kuumennetaan polttamalla 30 polttoainetta. Poltin tai polttimet sijaitsevat ontelon yläosassa, ontelon pohjalla tai ontelon seinillä. Ontelo voi myös sijaita vaakatasossa, jolloin polttimen tai polttimien edullisin sijaintipaikka on ontelon jokin päätyseinä.

4

Tulistinontelon polttoilmajärjestelmä on osa talteenottokattilan polttoilmajärjestelmää. Sillä voi myös olla erillinen ilmajärjestelmä omine puhaltimineen, yhdysputket puhaltimen ja polttimen/mien välissä ja tarvittava laitteisto polttoilman hallintaan.

5 Talteenottokattilan höyryn lopullisesti tulistava tulistinontelo lämmitetään polttamalla polttoainetta siten, että tulistinontelossa varmasti säilyvät korrodoimattomat olosuhteet. Polttoaine voi olla biomassan kaasutuksesta saatua kaasua. Lämpöpintojen korroosio voidaan välttää rikkipitoisen polttoaineen lisäpoltolla. Myös kaasun puhdistus ennen sen polttamista tulistinontelossa takaa korrodoimattomat olosuhteet korkeissa lämpötiloissa. 10 Biomassasta tuotetun kaasun sijasta voidaan käyttää muitakin polttoaineita, esimerkiksi luonnonkaasua, nestekaasua, nesteytettyä biomassaa, metanolia jne. Polttoaineen valintaperuste on polttoaineen korrodoimattomuus ontelon olosuhteissa. Polttoaine palaa ontelossa normaalisti täydellisesti, kun ilmaylimäärä on optimaalinen, mutta stoikiometriset tai pelkistävät olosuhteet ovat myös mahdollisia, jos se on edullista.

15

Tulistinontelon poistokaasut johdetaan talteenottokattilaan, edullisesti päätulistimen syöttöön, jossa ne sekoitetaan kattilan tulipesästä tulevaan pääkaasuvirtaukseen. Kaasuliitäntään on muitakin mahdollisia sijainteja: koko tulipesän alaosasta ekonomaiserin syöttöön yltävä alue. Poistokaasuliitäntä kattilan seinän läpi käsittää 20 edullisesti useamman kuin yhden aukon.

Tulistinontelon savukaasuja voidaan käyttää muodostamaan savukaasun virtausmalli talteenottokattilan tulipesästä sen nokan yli parantamaan kaasunjakaantumista ja lämmön siirtymistä tulistimiin, tai luomaan päästöjen hallintaan tarvittavat olosuhteet, 25 kuten optimaalinen lämpötilaikkuna valikoivalle ei-katalyyttiselle pelkistykselle (SNCR) NOx -päästöjen vähentämiseksi, tai hiukkaskoon kasvattamiseksi pienhiukkasten (kooltaan alle 2,5 mikrometriä) päästöjen vähentämiseksi. Eräs toinen mahdollisuus on käyttää näitä savukaasuja virtausmallin luomiseksi tulipesään sekoittumisen parantamiseksi, esim. johtamalla nämä kaasut sisään pystysuunnassa sijaitsevien 30 aukkojen kautta, kuten eurooppalaisessa patentissa 668983 ja julkaisussa WO 02/081971 on kuvattu, ilman sijasta tai ilmaan sekoitettuina. Polttaminen tulistinontelossa voidaan suorittaa myös ali-stoikiometrisissä olosuhteissa. Näin syntyneitä pelkistettyjä kaasuja voidaan syöttää tulipesästä tuleviin savukaasuihin näiden savukaasujen typpioksidipäästöjen vähentämiseksi.

5

Keksinnön avulla nostetaan jätelipeän talteenottoprosessista saadun höyryn painetta ja käyttölämpötilaa tulistinontelossa, jolloin sähkön hyötysuhde tehtaalla paranee, eli höyryyn talteenotettu lämpö tuottaa enemmän tehoa. Edullisesti keksinnön mukaista laitteistoa käytetään kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI03/00358 kuvatun 5 prosessin yhteydessä.

Viime vuosina massanvalmistuksen jätelipeitä on poltettu erillisessä tulenkestäväksi vuoratussa polttokammiossa, joka on liitetty talteenottokattilaan. Savukaasut virtasivat polttokammiosta talteenottokattilan tulipesään, joka oli varustettu öljyn tai kaasun to polttimilla tai arinoilla kuorta ja hiiltä jne varten. Näissä kattiloissa tätä erillistä polttokammiota käytettiin polton stabilointiin, ei höyryn tulistukseen lopulliseen korkeaan lämpötilaan talteenottokattilan tulipesän yläosan tulistimilla. Eräs esillä olevan keksinnön olennaisista piirteistä on, että poltto-ontelolla ja talteenottokattilalla on yhteinen vesikiertojärjestelmä. Yhdysvaltalainen patentti 2,606,103 kuvaa järjestelmää, 15 jossa erillisen tulipesän seinät ovat ilmajäähdytteiset.

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheiseen kuvaan, jossa esitetään keksinnön eräs toteutusmuoto kaavamaisesti kuviossa 1. Viitenumeroiden selitys: 20 1. Perinteinen talteenottokattila 2. Ontelo 3. Talteenottokattilan tulipesä 4. Perinteisen talteenottokattilan lattia 25 5. Hiilipeti perinteisessä talteenottokattilassa 6. Primääri-ilma-aukot 7. Sekundääri-ilma-aukot 8. Lipeän ruiskutuslaitteet 9. Tertiääri-ilma-aukot 30 10. Vesijäähdytteiset tulipesän seinät 11. Tulipesän nokka 12. Tulistimet perinteisessä talteenottokattilassa 13. Keittopinta 14. Ekonomaiserit 35 15. Kattilasta lähtevät savukaasut 6 16. Kattilaan tuleva syöttövesi 17. Rumpuun tuleva syöttövesi kuvatussa luonnollisen kierron kattilassa 18. Rumpu 19. Kyllästetty höyry, joka tulee kattilan perinteisen osan tulistimiin 5 20. Kattilan perinteisestä osasta tuleva tulistettu höyry, joka menee ontelon tulistimeen/miin 21. Kattilasta lähtevä tuorehöyry 22. Poltin tai polttimet ontelossa 23. Liekki tai liekit ontelossa 10 24. Tulistin tai tulistimet ontelossa 25. Ontelon jakotukit jäähdytysveden syöttämiseksi rummusta (18) ontelon seinille 26. Ontelosta lähtevä savukaasuvirtaus 27. Perinteisen kattilan tulipesästä lähtevä savukaasuvirtaus 28. Polttoainesyöttö kaasuttimelle is 29. Kaasutin 30. Kaasu ontelon polttimelle tai polttimille 31. Kaasun puhdistus tai muun tyyppinen käsittely kaasuille, jotka menevät kaasuttimesta muihin kohteisiin kuin onteloa (2) varten 32. Kaasun puhdistus tai muun tyyppinen käsittely kaasuille, jotka menevät 20 kaasuttimesta onteloon l-lll tulistimet kattilan perinteisessä osassa, ja IV tulistin ontelossa

Tyypillisen talteenottokattilan, kuten mustalipeän polttoon tarkoitetun soodakattilan, 25 tulipesä 3 käsittää vesijäähdytteisen pohjan 4 ja kompaktista kaivorakenteesta tehdyt vesijäähdytteiset seinät 10, joiden putkissa virtaa paineisena vesi-höyryseos. Tällä tavoin syntynyt vesi-höyryseos tulistetaan tulipesän jälkeen, tyypillisesti perinteisessä tulistimessa 12, joka sijaitsee “nokan" suojassa tulipesän yläpuolella. Tulistimessa otetaan talteen poltossa syntynyt savukaasujen 27 lämpö. Keittopinta ja ekonomaiseri 30 toimivat tyypillisesti kattilan jälkilämpöpintoina, ja tulistimen jälkeen savukaasut ohjataan keittopintaan 13 ja ekonomaisereille 14. Syntynyt korkeapainehöyry johdetaan tyypillisesti höyryturbiinille tehtaalla tarvittavan sähkön ja prosessihöyryn tuottamiseksi.

Tulipesän alaosa ja talteenottokattilan pohja 4 on tehty vesijäähdytteisistä putkista, 35 jotka muodostavat osan kattilan paineistetusta osasta. Kattilan pohjan ja tulipesän 7 alaosan rakenteen vuoksi pohjan putkiin syntyy luonnollinen vesikierto, eli kierron saa aikaan tiheysero. Kattilan vesi johdetaan korkeassa paineessa ja esimerkiksi noin 300°C:n lämpötilassa jakotukille (ei esitetty) tulipesän pohjan alapuolelle, mistä vesi jaetaan pohjan ja sivuseinien putkiin. Tulipesän alaosassa vesi virtaa ensin lähes 5 vaakasuoraan tai vinosti ylöspäin pohjaputkissa kohti seiniä, ja sen jälkeen edelleen ylöspäin seinäputkia pitkin kattilan yläosaan.

Esillä oleva keksintö perustuu talteenottokattilaan, jonka höyryn paine on sellainen, että liiallista korroosiota ei tapahdu, eli kyllästyslämpötila vesi-höyryemulsiossa plus putken 10 pinnalta veteen tulevan lämpöfluksin aiheuttama lämpötilaero on alle 400-500°C, mikä on putken pinnan lämpötila.

Höyryn lämpöä voidaan nostaa yli tyypillisten arvojen integroimalla perinteiseen talteenottokattilaan 1 erityinen poltto- ja lämmönsiirtokammio tai -ontelo 2. Höyry 15 tulistetaan perinteisessä tulistinosassa 12 lämpötilaan, jossa korkean lämpötilan korroosiota ei tapahdu, esim. lämpötilaan 480-520°C, optimaalisesti 480-500°C, ja lopullinen tulistus lämpötilaan 500-600°C, optimaalisesti 520-560°C, tapahtuu tulistimessa tai tulistimissa 24 erityisessä poltto- ja lämmönsiirto-ontelossa 2, joka on integroitu talteenottokattilaan, jolloin polttimessa tai polttimissa 22 poltettava polttoaine 20 liekkeineen 23 on niin puhdasta, ettei se aiheuta korkean lämpötilan korroosiota. Ontelosta 2 tulevat savukaasut 26 ohjataan taltenottokattilan savukaasuvirtaukseen 27. Edullisesti ontelosta tulevat savukaasut ohjataan useiden talteenottokattilan seinässä olevien aukkojen läpi.

25 Ontelo 2 on osa perinteistä talteenottokattilaa, joten ontelon seinät ovat vesijäähdytteiset kuten tulipesän perinteisessä osassa, keitinpinnalla ja muilla kuumilla alueilla, ja tämä jäähdytys on integroitu perinteisen kattilan rumpuun 18 tai rumpuihin luonnollisella kierrolla. Läpivirtauskattiloissa tämä integrointi merkitsee sitä, että ontelon seiniä jäähdytetään läpivirtausjärjestelmän vesi- tai höyryvirtauksilla. Saman 30 tyyppinen integrointi kiertovedellä pätee myös pakotetun kierron talteenottokattiloihin, jos käytetään tätä järjestelyä. Tärkein etu on lämmön tuonti ontelon jäähdytyksestä samaan paineistettuun vesi- tai höyryvirtaukseen tai virtauksiin kuin talteenottokattilan “perinteisen” osan päävirtauksessa. Polttoon tarvittavaa ilmaa voidaan ottaa talteenottokattilan ’’perinteisestä” osasta tai ontelo voidaan varustaa omilla 35 puhaltimillaan tai kompressoreillaan.

8

Erään edullisen toteutusmuodon mukaan polttokaasua 30 onteloa varten tuotetaan kaasuttimessa 29 kaasuttamalla biomassapohjaista materiaalia 28. Osa kaasuista käytetään sitten ontelossa puhtaana polttoaineena 30 polttimessa 22 höyryn 5 tulistamiseksi tulistimessa 24 (IV) sekä uudelleenlämmitystarkoituksiin. Osa kaasuista 33 käytetään sellutehtaalla muihin tarkoituksiin. Jos tämän tyyppistä polttoainetta ei ole saatavilla, voidaan käyttää muita polttoaineita kuten luonnonkaasua, nestekaasua, öljyä, metanolia, nesteytettyä biomassaa jne. Kriteeri polttoaineen valinnassa on sen korrodoimattomuus ontelon olosuhteissa. Tämä kaasutuksesta 29 tulevan kaasun 10 korrodoimattomuus voidaan aikaansaada puhdistamalla kaasu käsittelyssä 31 tai 32.

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa edellä kuvattuun toteutusmuotoon, vaan sitä voidaan modifioida ja muunnella sen hengen ja suojapiirin puitteissa oheisten patenttivaatimusten määrittämässä laajuudessa. Keksinnön mukaisen laitteiston käyttö 15 ei rajoitu tietyn käytetyn lipeän polttamiseen, vaan sitä voidaan soveltaa useiden käytettyjen lipeiden yhteydessä, kuten kraft-prosessista ja soodaprosessista tulevien käytettyjen lipeiden yhteydessä.

9

Patenttivaatimukset: 1. Jätelipeän talteenottokattilajärjestelmä, johon kuuluu: - kattila, jolla on vesi/höyrykiertojärjestelmä, johon kuuluu tulistimia ja tulipesä 5 energian ja kemikaalien talteenottamiseksi siinä poltettavasta jätelipeästä, ja jonka tulipesän seinät muodostuvat useista järjestelmän vesi/höyrykiertoon liitetyistä vesijäähdytteisistä putkista, tunnettu siitä, että järjestelmässä on ainakin yksi ontelo, jonka seinät muodostuvat järjestelmän vesi/höyrykiertoon liitetyistä vesijäähdytteisistä putkista, välineet 10 polttoaineen polttamiseksi ja ainakin yksi poistoaukko polttokaasujen poistamiseksi kattilaan, ja jonka ainakin yhden ontelon sisätilaan on järjestetty lämmönvaihtovälineet kattilassa tuotetun höyryn lopulliseksi tulistamiseksi, jotka lämmönvaihtovälineet on liitetty kattilan tulistimiin.

is 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että osa mainitun ainakin yhden ontelon seinistä muodostuu kattilan seinistä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi ontelo sijaitsee kattilan etuseinällä.

20 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi polttokaasujen poistoaukko on liitetty kattilaan niin, että mainitun ainakin yhden ontelon polttokaasut poistetaan välittömästi kattilan tulistimien ylävirran puolelle.

25 5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen järjestelmä, tunnettu kaasuttimesta, jossa tuotetaan polttoainetta onteloa varten kaasuttamalla biomassapohjaista materiaalia.

30